UHMWPE冻胶纤维萃取过程的数学分析及其萃取剂的选择
Vol.30No.32004206
华 东 理 工 大 学 学 报
JournalofEastChinaUniversityofScienceandTechnology
261
文章编号:100623080(2004)0320261205
UHMWPE冻胶纤维萃取过程的数学分析及其萃取剂的选择
于俊荣3, 张燕静, 胡祖明, 刘兆峰
(东华大学纤维材料改性国家重点实验室,上海200051)
摘要:对超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)冻胶纤维萃取体系中溶剂与萃取剂的双扩散过程进行了数学分析,推导出纤维溶剂扩散系数的计算公式。纤维溶剂的萃取扩散系数可用于表征萃取剂的萃取能力。通过纤维溶剂萃取扩散系数的大小,结合冻胶纤维萃取的本质和目的,选定二氯甲烷为最佳萃取剂。讨论了影响纤维溶剂扩散系数的因素,结果表明:超声萃取时纤维溶剂扩散系数要比静置萃取时大,并随萃取浴温度的升高而增加,随冻胶纤维半径的增加而减小。
关键词:超高相对分子质量聚乙烯;冻胶纤维;萃取;扩散系数中图分类号:O645.14文献标识码:A
MathematicalAnalysisoftheSelectionofExtractingibers
J2Y,HUZu2ming, LIUZhao2feng
3
(SeyLtoryforModificationofChemicalFibersandPolymer
Materials,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China)
Abstract:Thedouble2diffusionprocessbetweenfibersolventandextractingagentintheextractingsystemofultra2highmolecularweightpolyethylene(UHMWPE)gelfiberswasmathematicallyanalyzed,theformulatocalculatethediffusioncoefficientoffibersolventwasconcluded.Thediffusioncoefficient.Accordingtovaluesoffibersolventcouldrepresenttheextractingcapabilityofdifferentextractingagents
thediffusioncoefficientvaluesoffibersolventindifferentextractingagents,andcomprehensivelyconsid2eredtheextractingessenceandpurposeofgelfiber,dichloromethanewasselectedastheoptimumextract2ingagent.Theinfluencingfactorsaffectingthediffusioncoefficientoffibersolventwerealsodiscussed.Theresultsshowedthatthediffusioncoefficientvaluesinultra2sonicstatewerelargerthanthatinstaticstate,increasedwiththeincreasingofextractingtemperature,anddecreasedwiththeincreasingofgelfiberradius.
Keywords:ultra2highmolecularweightpolyethylene;gelfiber;extracting;diffusioncoefficient
超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维是
继碳纤维和芳纶纤维之后出现的又一种具有高强度、高模量的高性能纤维,具有其他高性能纤维所无
基金项目:上海市青年科技启明星计划项目(03QF14001);上海市教
委重点学科重点研究项目资助
E-mail:[email protected]收稿日期:2003206202
作者简介:于俊荣(19712),女,山东人,博士,副研究员,主要从事高
法比拟的力学性能[1],广泛应用于军事、航天航海工程和运动器械等领域。工业上UHMWPE纤维是由冻胶纺丝2超倍热拉伸纺制而成的,而UHMWPE初生冻胶纤维在超倍热拉伸前进行萃取、干燥预处理是提高冻胶纤维拉伸性能的良好途径[2～3]。冻胶纤维在萃取前具有疏松的网络结构,大网络内部包含大量的高沸点原溶剂,不仅充满了整个大网络的空隙位置,同时也在溶解纺丝过程中同组
性能纤维及纤维材料改性研究。
262 华 东 理 工 大 学 学 报第30卷
成大网络的PE分子链发生溶剂化作用。当将冻胶纤维置于萃取剂中时,由于溶剂与萃取剂之间存在明显的浓度梯度,这就为相互扩散和渗透提供了动力。相对来说萃取剂分子的沸点很低,分子又相对较小,因而很容易渗透进入大网络结构,与原溶剂形成互溶混合体系。在常温下,由于萃取剂分子能量小,与PE大分子难以发生溶剂化效应,因而整个萃取过程实质上是冻胶纤维中PE大分子与溶剂分子间溶剂化效应的减弱,使溶剂分子得以顺利扩散出来[2]。
冻胶纤维的萃取是基于双扩散机理,但对于冻胶纤维双扩散过程的数学描述,至今未见文献报道。由于冻胶纺丝一般都采用干湿法成形,而冻胶纤维的萃取双扩散过程与湿纺纤维的凝固过程相似,因此本文借助于Fick扩散定律及Ziabicki关于湿纺扩散的数学模型[4],对萃取体系中溶剂与萃取剂的双扩散过程进行了数学分析,通过一些边界条件的设定,并借用Bessel函数的性质[5],推导出了扩散系数的计算公式,取剂的萃取能力,素。
结构[6],即萃取过程中溶剂扩散所穿越的介质形态一直在变化;
(2)萃取体系并非双组分体系,而是由聚乙烯大分子网络、溶剂和萃取剂组成的三组分体系;
(3)冻胶纤维中PE大分子网络骨架的存在使物质在其中的扩散途径变得弯曲,从而使扩散速度减慢;
(4)溶剂和萃取剂的混合热会对扩散产生影响;(5)随萃取扩散的进行,纤维截面形状和体积均连续变化;
(6)变化的边界条件。
这些与Fick定律的适用范围都有矛盾,但目前还找不到一个更适合的数学模型来描述此萃取过程,只能借用Fick第二定律,并作出一系列的假设来对该扩散过程进行数学描述。假设如下:
(1),认为萃取过程中UPE,且在萃取过程中;
(3
)边界条件不变,热效应对扩散过程无影响。
在冻胶纤维的萃取体系中,存在着溶剂和萃取剂的双扩散过程。考虑到萃取的目的是将冻胶纤维中的溶剂萃取出来,因此本文只考虑冻胶纤维中溶剂的扩散系数D。假设冻胶纤维截面为圆形,因此对于纤维中溶剂的扩散过程,可选用Fick第二定律的圆柱坐标体系来描述,并且只考虑溶剂沿纤维半径方向朝外扩散,则式(2)可简化为:
2(3)=D2+rr
由以上假设,冻胶纤维中溶剂扩散系数D的测定遵从如下的边界条件:
C(r,0)=C0C(r,∞)=C∞
C(R,t)=C∞
C0。
1 萃取扩散动力学过程的数学分析
对于传质过程中的分子扩散,通常采用Fick定律来进行动力学描述。而对于浓度梯度随时间而变化的体系,即浓度和浓度梯度是时间和位置的函数时,可由Fick第二定律来描述分子的扩散过程。
222直角坐标体系:=D++
t5x25y25z
2
(1)=(2)rD++rD
r5r55r55z5式中,D为溶剂扩散系数;C为扩散分子浓度;t为扩散时间;x、y、z分别代表直角坐标体系中x、y、z轴方向分子的扩散距离;r为丝条半径方向上的坐标点,Η为分子扩散偏离半径方向的角度。
Fick定律规定,Fick方程式仅适用于扩散物质在一个单相物质中,以某一方向进行质量传递的过程,并在一定的温度、压力等条件下为一个常数。而在UHMWPE冻胶纤维的萃取过程中,同样存在着扩散过程,但其扩散过程是一个影响因素相当复杂的过程,因为:
(1)随着萃取扩散的进行,冻胶纤维会形成皮芯
圆柱坐标体系:
=rDtrr(4)(5)(6)
式中,R为冻胶丝条的半径,0≤r≤R,C∞≤C≤借用Bessel函数的性质[5],经过一系列严密的数学推导,得出式(7),由式(7)可计算出D。
∞
22
-DΚn
t